磁控形状记忆合金逆效应机理、模型及传感器研究

Magnetically controlled shape memory alloy（MSMA）is a new functional material which is found in recent years, have excellent characteristics of large output strain, fast dynamic response, high efficiency of electromagnetic-mechanical conversion and easy control etc. The material can not only output diaplace and force under the action of the magnetic field (positive effect)，but also produce the electromagnetic signals changes by the magnetic properties variation under an external force (reverse effect). The project proposes a new concept sensor based on the reverse effect of magnetically controlled shape memory alloy. On the basis of the experimental research for the static and dynamic machinery, electromagnetism and the temperature characteristics of MSMA materials, the project will study the electromagnetic-mechanical coupling energy and reverse effect conversion principle, establish the mathematical models of MSMA sensor, put forward the basic structure and design principles of MSMA sensor, construct the design and characteristics simulation platform of MSMA sensor based on the multi-field coupling, and develops a sensor prototype with typical application background and applied technology, The study can lay a theory and technology foundation for MSMA sensor application.

磁控形状记忆合金（MSMA）是近年来出现的一种新型功能材料，具有输出应变大、响应速度快、电磁-机械转换效率高和易于控制等优良特性。该材料在磁场作用下不仅可以输出位移和力（正效应），而且在外力作用下通过磁性能变化进而产生电磁信号的变化（逆效应）。本项目基于磁控形状记忆合金的逆效应，提出一种新概念传感器。在对MSMA材料静态和动态机械、电磁和温度特性实验研究基础上，研究其电磁-机械耦合能量转换原理和逆效应转换原理，建立MSMA传感器数学模型，提出MSMA传感器的基本结构与设计原理，构建基于多场耦合的MSMA传感器设计与特性仿真平台，研制具有典型应用背景的传感器样机和应用技术，为MSMA传感器的应用奠定理论与技术基础。

鉴于目前的研究工作仅限于MSMA的外特性及执行器，因此有必要开展MSMA传感器相关内容的研究。.研制MSMA综合测试仪，通过力、位移、磁场和温度传感器同时测量MSMA的动/静态机械、电磁和温度特性。.孪晶变体的能量与外部应力和内部弹性能密度有关，弹性能密度与几何角度为二次函数关系。MSMA元件在力的作用下输出感应电压是因其内部变体体积分数和磁化旋转角变化引起的。.建立偏置条件和激振力信号为参数的感应电压模型。采用BP神经网络的动态建模及预测方法，对模型估计精度和预测能力进行仿真分析，表明该方法预测误差较小、吻合度较高。在变体体积分数和磁化旋转角理论基础上，考虑退磁因子影响，建立耦合场改进数学模型，解决多参数同时变化时模型应用问题。分别采用混沌-量子粒子群算法、模拟退火遗传算法和无迹卡尔曼滤波算法对传感器的模型系数进行参数辨识。感应电压峰-峰值的计算值与实验值误差为0.4-2.7%。.由电磁仿真软件分别优化MSMA传感器的铁心结构、永磁体尺寸和励磁线圈匝数。基于小波分析理论，采用db5滤波器的分解和重构算法，消除感应电压存在的干扰，小波软阈值去噪后信号变得光滑，滤波效果理想。由检测到的信号突变奇异值，对传感器异常情况进行故障检测。.搭建模块化的传感器设计与特性仿真平台，该平台与实验系统相连，可进行材料其它特性研究。实验值与平台输出数据的一致性验证了平台的有效性。.研究静态应力作用下MSMA元件的磁通密度变化量随参数的变化规律，磁通密度变化量可达0.14T。冲击力作用下，电压幅值可达46V。研制结构优化的MSMA传感器样机，确定感应电压峰-峰值与激振力幅值、频率及预压力、偏置磁场多参数变化时的规律，验证多参数变化时模型的正确性及优化后传感器输出较高的、完善的感应电压。.总结近几年课题组及国内外学者的研究成果，委托机械工业出版社出版著作1部。.该项目的研究可推广MSMA传感器技术，拓宽MSMA材料的应用领域，提升我国在新型功能材料传感器领域的国际领先地位及自主创新能力。